大作业-人脸识别

题目：基于Matlab直方图Histogram的人脸识别姓名：肖明国学号：2023020235专业：仪器仪表工程班级：研1304目录第一章绪论21.1人脸识别的背景21.2基于直方图人脸识别系统构成2第二章图像处理的Matlab实现42.1数字图像处理42.2图像类型的转换42.3图像增强42.4边缘检测52.5图像处理功能的Matlab实现实例5第三章人脸图像识别计算机系统93.1系统根本机构93.2人脸检测定位算法93.3人脸图像的预处理123.3.1仿真系统中实现的人脸图像预处理方法133.4基于直方图的人脸识别实现153.4.1人脸识别的matlab实现153.5本章小结16附录17附录A人脸检测定位程序：17附录B人脸识别程序19第一章绪论1.1人脸识别的背景自70年代以来.随着人工智能技术的兴起.在进行人工智能的研究中，人们一直想做的事情就是让机器具有像人类一样的思考能力，以及识别事物、处理事物的能力，因此从解剖学、心理学、行为感知学等各个角度来探求人类的思维机制、以及感知事物、处理事物的机制，并努力将这些机制用于实践，如各种智能机器人的研制。人脸图像的机器识别研究就是在这种背景下兴起的，因为人们发现许多对于人类而言可以轻易做到的事情，而让机器来实现却很难，如人脸图像的识别，语音识别，自然语言理解等。国外对于人脸图像识别的研究较早，现己有实用系统面世，只是对于成像条件要求较苛刻，应用范围也就较窄，国内也有许多科研机构从事这方而的研究，并己取得许多成果。1.2基于直方图人脸识别系统构成人类似乎具有“与生俱来〞的人脸识别能力，赋予计算机同样的能力是人类的梦想之一，这就是所谓的“人脸识别〞系统。假设我们把照相机、摄像头、扫描仪等看作计算机的“眼睛〞，数字图像可以看作计算机观察到的“影像〞，那么AFR赋予计算机根据其所“看到〞的人脸图片来判断人物身份的能力。广义的讲，自动人脸识别系统具有如图1.1所示的一般框架并完成相应功能的任务。人脸图像获取人脸图像获取人脸检测特征提取人脸识别图1.1人脸识别系统一般框架(1)人脸图像的获取一般来说，图像的获取都是通过摄像头摄取，但摄取的图像可以是真人，也可以是人脸的图片或者为了相对简单，可以不考虑通过摄像头来摄取头像，而是直接给定要识别的图像。(2)人脸的检测人脸检测的任务是判断静态图像中是否存在人脸。假设存在人脸，给出其在图像中的坐标位置、人脸区域大小等信息。而人脸跟踪那么需要进一步输出所检测到的人脸位置、大小等状态随时间的连续变化情况。(3)特征提取通过人脸特征点的检测与标定可以确定人脸图像中显著特征点的位置〔如眼睛、眉毛、鼻子、嘴巴等器官〕，同时还可以得到这些器官及其面部轮廓的形状信息的描述。(4)基于人脸图像比对的身份识别即人脸识别(FaceIdentification)问题。通过将输入人脸图像与人脸数据库中的所有原型人脸图像计算相似度并对其排序来给出输入人脸的身份信息。这包括两类识别问题：一类是闭集(CloseSet)人脸识别问题，即假定输入的人脸一定是人脸库中的某个个体；另一类是开集(OpenSet)识别，即首先要对输入人脸是否在人脸库中做出判断，如果是，那么给出其身份。(5)基于人脸图像比对的身份验证即人脸确认(FaceVerification)问题。系统在输入人脸图像的同时输入一个用户宣称的该人脸的身份信息，系统要对该输入人脸图像的身份与宣称的身份是否相符作出判断。第二章图像处理的Matlab实现2.1数字图像处理图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。利用计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等的理论、方法和技术称为数字图像处理。数字图像处理技术已经成为信息科学、计算机科学、工程科学、地球科学等诸多方面的学者研究图像的有效工具。数字图像处理主要包括图像变换、图像增强、图像编码、图像复原、图像重建、图像识别以及图像理解等内容。2.2图像类型的转换Matlab支持多种图像类型,但在某些图像操作中,对图像的类型有要求,所以要涉及到对图像类型进行转换。Matlab图像处理工具箱为我们提供了不同图像类型相互转换的大量函数,如mat2gray()函数可以将矩阵转换为灰度图像,rgb2gray()转换RGB图像或颜色映像表为灰度图像。在类型转换的时候,我们还经常遇到数据类型不匹配的情况,针对这种情况,Matlab工具箱中,也给我们提供了各种数据类型之间的转换函数,如double()就是把数据转换为双精度类型的函数。2.3图像增强图像增强的目的是为了改善图像的视觉效果,提高图像的清晰度和工艺的适应性,以及便于人与计算机的分析和处理,以满足图像复制或再现的要求。图像增强的方法分为空域法和频域法两大类,空域法主要是对图像中的各个像素点进行操作;而频域法是在图像的某个变换域内对整个图像进行操作,并修改变换后的系数,如傅立叶变换、DCT变换等的系数,然后再进行反变换,便可得到处理后的图像。下面以空域增强法的几种方法加以说明。(1).灰度变换增强有多种方法可以实现图像的灰度变换,其中最常用的就是直方图变换的方法,即直方图的均衡化。这种方法是一种使输出图像直方图近似服从均匀分布的变换算法。Matlab7.0图像处理工具箱中提供了图像直方图均衡化的具体函数histeq(),同时我们可以用函数imhist()函数来计算和显示图像的直方图。(2).空域滤波增强空域滤波按照空域滤波器的功能又可分为平滑滤波器和锐化滤波器。平滑滤波器可以用低通滤波实现,目的在于模糊图像或消除噪声;锐化滤波器是用高通滤波来实现,目的在于强调图像被模糊的细节。在Matlab中,各种滤波方法都是在空间域中通过不同的滤波算子实现,可用fspecial()函数来创立预定义的滤波算子,然后可以使用imfilter()或filter2()函数调用创立好的滤波器对图像进行滤波。2.4边缘检测数字图像的边缘检测是图像分割、目标区域识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的根底,也是图像识别中提取图像特征的一个重要属性。边缘检测算子可以检查每个像素的邻域并对灰度变化率进行量化,也包括对方向确实定,其中大多数是基于方向导数掩模求卷积的方法。常用的有Sobel算子,Prewitt算子,Roberts算子,Log算子等。Matlab工具箱中提供的edge()函数可以进行边缘检测,在其参数里面,可以根据需要选择适宜的算子及其参数。2.5图像处理功能的Matlab实现实例本文通过运用图像处理工具箱的有关函数对一人脸的彩色图像进行处理。1)图像类型的转换因后面的图像增强,边缘检测都是针对灰度图像进行的,而我们的原图是RGB图像,所以首先我们要对原图类型进行转换。实现过程代码如下:clc;I=imread('E:\picture\POINT2.bmp')rgb2gray(I);imshow(I);imwrite(I,'E:\picture\pinhua\noise.tif')效果如图2.1图2.12)图像增强(1)灰度图像直方图均衡化通过比拟原图和直方图均衡化后的图像可见,图像变得更清晰,而且均衡化后的直方图比原直方图的形状更理想。该局部的程序代码如下:clc;K=imread('C:\Users\rich\Desktop\数字图像处理\肖明国\POINT2.tif');J=rgb2gray(K);L=histeq(J);imwrite(I,'C:\Users\rich\Desktop\数字图像处理\肖明国\POINT3.tif')imshow(j);figure,subplot(1,2,1),imhist(J);subplot(1,2,2),imhist(L)执行后的效果图如图2.2和图2.3:图2.2均衡化后的灰度图像图2.3均衡化前后的直方图比照(2)灰度图像平滑与锐化处理平滑滤波器的目的在于模糊图像或消除噪声,Matlab7.0图像处理工具箱提供了medfilter2()函数用于实现中值滤波,wiener2()实现对图像噪声的自适应滤波。在本文实例中,为了使滤波效果更明显,我们事先为图像认为增加滤波,然后用自适应滤波方法对图像进行滤波。锐化处理的目的在于强调图像被模糊的细节,在本实例中采用了预定义高斯滤波器的方法对图像进行锐化滤波。功能实现的代码如下:clc;I=imread('C:\Users\rich\Desktop\Êý×ÖͼÏñ´¦Àí\ФÃ÷¹ú\POINT2.bmp')J=rgb2gray(I);%imshow(I);imwrite(I,'C:\Users\rich\Desktop\Êý×ÖͼÏñ´¦Àí\ФÃ÷¹ú\POINT2.tif')K=imread('C:\Users\rich\Desktop\Êý×ÖͼÏñ´¦Àí\ФÃ÷¹ú\POINT2.tif');J=rgb2gray(K);L=histeq(J);%imwrite(L,'C:\Users\rich\Desktop\Êý×ÖͼÏñ´¦Àí\ФÃ÷¹ú\POINT3.tif')%imshow(L);%figure,subplot(1,2,1),imhist(J);%subplot(1,2,2),imhist(L)%i=imread('C:\Users\rich\Desktop\Êý×ÖͼÏñ´¦Àí\ФÃ÷¹ú\POINT3.tiff');%j=imnoise(L,'guassian',0,0.02);subplot(1,2,1),imshow(L);j1=wiener2(L);subplot(1,2,2),imshow(L);h=fspecial('gaussian',2,0.05);j2=imfilter(L,h);figure,subplot(1,2,1),imshow(L)subplot(1,2,2),imshow(j2)得到的效果图如图2.4和图2.5:图2.4图像平滑滤波效果图2.5锐化滤波效果图3)边缘检测Matlab7.0图像处理工具箱提供了edge()函数实现边缘检测,还有各种方法算子供选择,在本实例中采用了canny算子来进行边缘检测,程序代码如下:j=edge(L,'canny',[0.04,0.25],1.5);imshow(j)效果图如图2.6:图2.6边缘检测效果图第三章人脸图像识别计算机系统3.1系统根本机构人脸识别是一个复杂的过程，一个计算机人脸识别的流程如图3-1所示。它包括几个步骤：对采集到的图像，首先进行人脸检测〔在输入图像中寻找人脸〕，给出人脸有无的结果；然后进行人脸定位，确定人脸的位置并提取出来。对人脸的定位在输入是图像序列时一般也称之为人脸跟踪。通常检测和定位结合进行。对提取出来的人脸借助人脸描述就可以进行〔狭义的〕人脸识别，即通过提取特征来确定其身份。图3.1根本框架图3.2人脸检测定位算法人脸检测定位算法大致可分为两大类：基于显式特征的方法和基于隐式特征的方法。所谓显式特征是指对人类肉眼来说直观可见的特征，如肤色、脸部轮廓、脸部结构等。基于显式特征的方法是指由人通过肉眼观察，总结出人脸区别于“非人脸〞区域的特征，然后根据被检测区域是否满足这些“人脸特征〞，来判定该区域是否包含人脸。根据所选择的“人脸特征〞，基于显式特征的方法分以下三类：基于肤色模型的方法、模板匹配的方法、基于先验知识的方法。在彩色图像中，颜色是人脸外表最为显著的特征之一，利用颜色检测人脸是很自然的想法。Yang等在考察了不同种族、不同个体的肤色后，认为人类的肤色能在颜色空间中聚成单独的一类，而影响肤色值变化的最主要因素是亮度变化。因此他们采用广泛使用的RGB颜色空间，在滤去亮度值的图像中通过比拟像素点的ｒ、ｇ值与肤色范围来推断该像素点及其邻域是否属于人脸区域。除了RGB颜色空间，还有诸如HIS，LUV，GLHS等其它颜色空间被使用。寻找到肤色区域后，必须进行验证，排除类肤色区域。Yoo等利用肤色像素的连通性分割出区域，使用椭圆拟合各个区域，根据椭圆长短轴的比率判断是否为人脸。模板匹配的方法一般是人为地先定义一个标准人脸模板，计算输入图像与模板的似然度；然后，确定一个似然度阈值，用以判断该输入图像中是否包含人脸。标准人脸模板可以是固定的样板，也可以是带参变量的曲线函数。基于先验知识的方法那么采用符合人脸生理结构特征的人脸镶嵌图〔mosaicimage〕模型，并在分析了足够多的人脸图像样本的根底上，针对人脸的灰度、边缘、纹理等信息，建立一种关于人脸的知识库。在检测中，首先抽取这些灰度、边缘等信息，然后检验它是否符合知识库中关于人脸的先验知识。以上三种方法的优缺点比拟见表3-1。表3-1基于显示特征方法的特点检测方法优点与适用场合缺点与需要改良的地方肤色模型检测速度快高光和阴影会造成人脸区域被分割而被漏检；肤色区域的存在提高了预警率模板匹配直观性好，具有较好的适应性对表情、尺度变换敏感；可变模板的选择和参数确实定非常困难基于知识的方法适用复杂图像中的人脸检测依赖先验知识；多尺度空间遍历工作量大，运算时间长基于隐式特征的方法将人脸区域看成一类模式，使用大量“人脸〞、“非人脸〞样本训练、构造分类器，通过判别图像中所有可能区域是否属于“人脸模式〞的方法来实现人脸检测。这类方法有：特征脸法、人工神经网络法、支持向量机法；积分图像法。特征脸法〔eigenface〕把单个图像看成一维向量，众多的一维向量形成了人脸图像特征空间，再将其变换到一个新的相对简单的特征空间，通过计算矩阵的特征值和特征向量，利用图像的代数特征信息，寻找“人脸〞、“非人脸〞两种模式在该特征空间中的分布规律。人工神经网络〔ArtificialNeuralNetwork，ANN〕的方法是通过训练一个网络结构，把模式的统计特性隐含在神经网络的结构和参数之中。基于人工神经网络的方法对于复杂的、难以显式描述的模式，具有独特的优势。支撑向量机〔SupportVectorMachine，SVM〕法是在统计学习理论根底上开展出的一种新的模式识别方法，它基于结构风险最小化的原理，较之于基于经验风险最小化的人工神经网络，一些难以逾越的问题，如：模型选择和过学习问题、非线性和维数灾难问题、局部极小点问题等都得到了很大程度上的解决。但是直接使用SVM方法进行人脸识别有两方面的困难：第一，训练时需要求解二次规划问题计算复杂度高，内存需求量巨大；第二，在非人脸样本不受限制时，需要极大规模的训练集合，得到的支持向量会很多，使得分类器的计算量过高。基于积分图像〔IntegralImage〕特征的人脸检测方法是Viola等新近提出的一种算法，它综合使用了积分图像描述方法、Adaboost学习算法及训练方法、级联弱分类器。以上四种方法的优缺点比拟见表3-2表3-2基于隐式特征方法的特征检测方法优点缺点与需要改良的地方本征脸法标准人脸模板能抽象人脸全部信息，运算不涉及迭代消耗时间短但模板检测效率低，多模板提高了效率也增加了检测时间神经网络法检测效率高，错误报警数目不多，训练成熟的网络监测速度快多样本训练消耗时间多，但网络监测错误报警数目多支撑向量机机法比神经网络方法具有更好的泛化能力，能对为观测到的例子进行有效分类“非人脸〞样本复杂多样，造成支持向量数目多，运算复杂度大基于积分图像分析法检测速度快，根本满足实时检测要求，检测效率可以与神经网络法比拟错误报警数目少时，检测率不高运用matlab仿真进行人脸检测定位实例：图3.2原始图片图3.3灰度图片图3.4均衡化灰度图片图3.5人脸定位3.3人脸图像的预处理不同的人脸识别系统根据其采用的图像来源和识别算法需要不同，采用的预处理方法也不同。常用的人脸图像预处理方法有：滤波去噪、灰度变换、图像二值化、边缘检测、尺寸归一化、灰度归一化等。用在同一系统中的可能只有其中一种或几种预处理方法，但一旦库中采集到的原始图像质量发生较大变化〔如人脸大小、光照强度、拍摄条件、成像系统等方面变化〕，原有的预处理模块便不能满足特征提取的需要，还要更新，这是极不方便的。鉴于此，作者在总结分析了滤波去噪、边缘检测、灰度变换三种广泛应用于不同人脸识别系统中的预处理方法根底上，设计了一个通用的人脸图像预处理仿真系统。该系统可对不同条件下的原始图像进行相应的预处理。如，用户可根据需要选择使用不同的滤波方法去除噪声、不同的边缘检测算子检测人脸边缘、选择不同的灰度变换算法实现图像的灰度校正和灰度归一化，仿真系统同时还实现了尺寸归一化、二值化等其他常用的图像预处理算法。3.3.1仿真系统中实现的人脸图像预处理方法根据所查阅文献资料，常应用于人脸图像的预处理方法有：图像类型转换、滤波去噪、灰度变换、边缘检测及二值化、尺寸归一化、灰度归一化等。作为通用人脸图像预处理模块，要能够充分适应不同人脸库中图像在人脸大小、光照强度、成像系统等方面的任意性和差异性，不能单独采用某种单一的滤波、灰度变换和边缘检测方法。所以，在本仿真系统中，对上述的每种预处理方法全部加以实现的同时，还对三种最常用预处理方法：滤波去噪、灰度变换、边缘检测，提供了多种不同的具体算法供用户比拟、选择之用。1)滤波去噪由于噪声给图像带来的失真和降质，在特征提取之前采用滤波的方式来去除噪声是实际人脸识别系统中所必须的步骤。滤波的方法有很多，如各种平滑滤波、各种锐化滤波等，关于各种滤波方法的原理和分类可参考文献[2]。下面对本文实现的滤波方法及其选择依据加以说明。在人脸图像预处理中使用较多的滤波是平滑滤波，方法可分为以下三类：线性滤波、中值滤波、自适应滤波。〔1〕线性滤波最典型的线性滤波方法如，采用邻域平均法的均值滤波器、采用邻域加权平均的高斯滤波和维纳滤波。对图像进行线性滤波可以去除图像中某些特定类型的噪声，如图像中的颗粒噪声，高斯噪声、椒盐噪声等。对扫描得到的人脸图像根据其噪声类型一般采用此种滤波方法。考虑滤波模板大小对滤波效果影响较大，仿真系统选择算法时对同种滤波算法提供了不同模板大小的情况。〔2〕中值滤波法中值滤波法是一种非线性滤波方法，它把像素及其邻域中的像素按灰度级进行排序，然后选择该组的中间值作为输出像素值。中值滤波方法的最大优点是抑制噪声效果明显且能保护边界。对于使用基于整体的人脸识别算法的系统中，由于失掉小区域的细节对特征提取影响较小，所以这种滤波方法最受欢送。〔3〕自适应滤波自适应滤波能够根据图像的局部方差来调整滤波器的输出，其滤波效果要优于线性滤波，同时可以更好地保存图像的边缘和高频细节信息。2)灰度变换灰度变换是图像增强技术中的一种。通过灰度变换，可对原始图像中的光照不均进行补偿，使得待识别人脸图像遵循同一或相似的灰度分布。只有这样，不同图像在特征提取和识别时才具有可比性。这一过程，也被称作灰度归一化。常用在人脸识别系统中的灰度变换方法主要有：基于图像统计特征的直方图均衡化、直方图规定化和灰度均值方差标准化三种方法。直方图均衡化和直方图规定化的灰度变换原理和实现方法可由matlab仿真来实现。三种灰度变换方法，均能在一定程度上消除由于光照条件不同而对人脸识别带来的影响。故在仿真系统中提供了三种灰度变换效果比拟及选择界面，用户可根据需要选用。3)边缘检测对输入人脸图像进行边缘检测是很多人脸识别系统在人脸粗定位及人脸主要器官〔眼睛、鼻子、嘴巴〕定位时采用的预处理方法。边缘检测的方法有很多，主要有：微分算子法、Sobel算子法、拉普拉斯算子法、canny算子法等。每种算子对不同方向边缘的检测能力和抑制噪声的能力都不同。所以，和灰度变换及滤波去噪局部的设计思路相同，在仿真系统中，笔者给出了canny、sobel、log、prewitt四种算子在不同灰度阈值下、不同方向的边缘检测算法，使用者可从检测结果中加以比拟、选择适宜的算法。图像类型转换、图像二值化、尺寸归一化也是一些人脸识别系统中经常使用的预处理方法。为了在不修改其他算法的根底上，扩大系统处理图像的类型和范围，将输入图像首先转换为统一的类型，是多数人脸图像预处理中的第一步。在本仿真系统中通过调用MATLAB中提供的各种图像类型转换函数来实现TIF、JPG转换为BMP格式及彩色到灰度图像的转换；对图像二值化，采用了graythresh()函数来自动选择阈值的二值化方法[1]；尺寸归一化采用的算法是对人脸图像进行剪裁和尺寸缩放，实现去除大局部头发、服饰和背景的干扰并将人脸图像大小统一。3.4基于直方图的人脸识别实现用灰度直方图增强图像比照度是基于图像灰度值统计的一种重要方法,它以概率论为根底的,常用的实现算法主要是直方图均衡化和直方图规定化。直方图均衡化主要用于增强动态范围较小的图像的反差,根本思想是把原始图的直方图变换为均匀分布的形式,这样就增强了像素灰度值的动态范围,从而到达增强图像整体比照度的效果。直方图均衡化的优点是能自动地增强整个图像的比照度,但它的具体的增强效果不好控制,处理的结果总是得到全局均衡化的直方图。实际中有时需要变换直方图使之成为某个需要的形状,从而有选择地增强某个灰度值范围内的比照度或使图像灰度值的分布满足特定的要求,这时可以采用比拟灵活的直方图规定化方法。人脸识别的matlab实现人脸识别的matlab实现中用到的图片库：图3.6图片库实现结果如图4.1、图4.2、图4.3、图4.4：图3.7实现结果图3.8实现结果图3.9实现结果图3.10实现结果3.5本章小结在过去十年中基于直方图方法证其明简单性和有用性。最初这种想法基于颜色直方图。此算法提供我们的建议技术名为"直方图处理人脸识别"的第一局部。同时使用灰度图像。基于matlab数字图像处理与识别系统其实是一个范围很大的应用系统，作者在此只是有针对性、有选择地进行了一些开发和实现。该系统的主要功能模块共有二个：〔1〕数字图像处理的根本方法；〔2〕人脸识别。在“数字图像处理的根本方法〞这一局部，用到的一些根本方法和一些最常用的处理方法来实现图像预处理，如格式转换，灰度变化和滤波锐化。仅就这一局部而言，就有很多可以继续完成的工作，可将其它一些数字图像处理方法进一步加以实现，如图像的平滑，图像矩阵的变换〔K-L变换、Fourier变换、小波变换等〕，图像的膨胀腐蚀、图像的几何变换〔平移、旋转、缩放等〕，以及各种编码图像的读写与显示。仅这一局部即可形成一个专用的图像处理平台。关于“人脸识别〞，在了解了人脸识别的各种方法后，选择了图像直方图差值比拟进行了实现。该方法能较好地实现人脸的分类，但对人脸图像的要求较高，目前仅是采用Orl的标准人脸库中的图像来进行测试，因此能获得较高的识别率。而在现实生活中采集到的人脸图像那么会受到很多因素的影响，识别率就未必能到达要求了。假设要进一步提高识别率和适用范围，那么还需要结合其它算法，如PCA、神经网络等。附录附录A人脸检测定位程序：i=imread('face1.jpg');I=rgb2gray(i);BW=im2bw(I);figure,imshow(BW)%%%%%minimisationofbackgroundportion[n1n2]=size(BW);r=floor(n1/10);c=floor(n2/10);x1=1;x2=r;s=r*c;fori=1:10y1=1;y2=c;forj=1:10if(y2<=c|y2>=9*c)|(x1==1|x2==r*10)loc=find(BW(x1:x2,y1:y2)==0);[op]=size(loc);pr=o*100/s;ifpr<=100BW(x1:x2,y1:y2)=0;r1=x1;r2=x2;s1=y1;s2=y2;pr1=0;endimshow(BW);endy1=y1+c;y2=y2+c;endx1=x1+r;x2=x2+r;endfigure,imshow(BW)%%%%%detectionoffaceobjectL=bwlabel(BW,8);BB=regionprops(L,'BoundingBox');BB1=struct2cell(BB);BB2=cell2mat(BB1);[s1s2]=size(BB2);mx=0;fork=3:4:s2-1p=BB2(1,k)*BB2(1,k+1);i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